Каліфорній (Cf) — штучно одержаний радіоактивний хімічний елемент; належить до актиноїдів. символ Cf, атомне число 98, електронна конфігурація [Rn]5f107s2; період 7, f-блок (актиноїд). Відомо 15 ізотопів. Найстабільніші ізотопи 251Cf (900 років), 249Cf (360 років), 250Cf (13,08 років), 252Cf (961 днів). Звичайний ступінь окиснення +3 (пр., Cf2О3), є ще +2 і +4 (пр., CfBr2, CfO2, CfF4). Проста речовина — каліфорній.
Історія
Починаючи з 1944 року група Гленна Сіборга в Університеті Каліфорнії (Берклі) почала займатися пошуками і синтезом трансуранових елементів, і в кінці того ж року змогла виявити 95-й і 96-й елементи — америцій і кюрій. Після їх виявлення стало зрозуміло, що ці елементи утворюють сімейство (подібне до сімейства лантаноїдів), що отримало назву актиноїди. Після цього стало простіше передбачати хімічні властивості ще не відкритих елементів, а отже і виділяти їх. Також, під час роботи з цими елементами були розроблені методики ультрамікрохімічного аналізу.СИБОРГ (Seaborg), Гленн Теодор
Протягом наступних п'яти років було накопичено кілька мікрограм кюрію, що дозволило зробити наступний крок. У 1950 році Сіборг, і А. Гіорсо опромінили мішень з кюрію розігнанними на 60-дюймовому циклотроні альфа-частинками з енергією 35 МеВ, отримавши близько 5000 атомів елементу номер 98Курс неорганической химии , за такою реакцією:
Період напіврозпаду цього ізотопу становить лише 44 хвилини, тому ідентифікація його була надзвичайно важкою. Вона була здійснена за допомогою методу іонообмінної адсорбції на смолі дауекс-50, з подальшою елюцією. Остаточно отримання елементу номер 98 було підтверджене 9 лютого 1950 року.
Елемент отримав назву на честь штату Каліфорнія, де він був отриманий. Також, автори статті, у якій вони описували відкриття нового елементу, пов'язували його назву з назвою диспрозію (що з давньогрецької перекладається як важкодосяжний), що є рідкісноземельним аналогом каліфорнію. Вони вказували, що отримати новий елемент було так само важко, як першим поселенцям було важко дістатись до Каліфорнії.
Отримати вагові кількості каліфорнію вдалося лише у 1958 році і ТомпсонуКалифорний після тривалого опромінення плутонію нейтронами, а першу хімічну сполуку — 0,3 мкг CfOCl (хлорид оксиду каліфорнію), лише у 1960 році, Каннінгему і Джеймсу Уолману. У тому ж році були отримані окис(Cf2O3) і трихлорид каліфорнію.
Присутність в природі Наразі невідомі природні шляхи отримання каліфорнію, тому весь існуючий на Землі каліфорній є синтезованим.
Деяка кількість каліфорнію утворилася після ядерних випробувань. Концентрація такого каліфорнію у воді, ймовірно, в 500 разів нижча, ніж у ґрунті. Втім, загальна кількість утвореного каліфорнію є незначною.
Через присутність у випромінюванні наднових типа І компоненти, інтенсивність якої падає вдвічі кожні 55 днів, що збігається з періодом напіврозпаду каліфорнію-254, існувала гіпотеза, що велика кількість цього ізотопу утворюється при вибухах надновихCalifornium-254 and Supernovae . Проте, пізніші дослідження показали, що випромінювання належить нікелю-56 . Втім, існує аналогічна гіпотеза щодо утворення каліфорнію-254 під час злиття нейтронних зірок, теж заснована на болометричних данихThe production of actinides in neutron star mergers.
Фізичні властивості
Каліфорній — м'який сріблястий метал, з густиною 15,1 г/см³, що плавиться при 900±30 °C. Температура кипіння невідома, проте з теоретичних міркувань вона має бути близькою до 1745 °C. Ентальпія сублімації становить 196,23±1,26 кДж/моль.
Каліфорній має подвійну гексагональну щільно упаковану кристалічну ґратку з параметрами a=3,4Å і c=11Å. При високому тиску (більше 16 ГПа) і температурі 600-800 °C зафіксований перехід до іншої алотропної модифікації, що має кубічну гранецентровану ґратку з періодом 4,9Å. Згідно деяких досліджень, при тиску у 48 ГПа, каліфорній переходить до ромбічної форми.
Каліфорній-252 у 3,09 % випадків розпадається спонтанно, випромінюючи нейтрони (в середньому, 3,767 нейтрона), через що цей ізотоп є одним з найактивніших джерел нейтронів — 1 мікрограм каліфорнію-252 випромінює 2,314 мільйона нейтронів за секунду.
Модуль всебічного стиску каліфорнію становить 50±5 ГПа, втричі менше ніж у сталі.
Хімічні властивості Хімічні властивості каліфорнію ще не повністю зрозумілі, в першу чергу через те, що достеменно не відома роль 5f електронів у хімічних взаємодіях. Ймовірно, деякі з цих електронів можуть переходити на 6d-орбіталь. Загалом, каліфорній займає проміжну позицію між двовалентними і тривалентними металами, тому легко переходить між цими станами. Навіть всередині одного шматка каліфорнію, частина атомів (ті, що знаходяться біля його поверхні) можуть бути двовалентними, а частина — тривалентними.
Загалом, спостерігалися сполуки каліфорнію, в яких він мав ступені окиснення +2, +3 і +4. Існують повідомлення про спостереження ступеня окиснення +5, проте вони є дискусійними. Каліфорній добре реагує з газоподібним воднем і кислотами. На повітрі швидко утворює оксидну плівку. Відомі оксиди каліфорнію Cf2O3, CfO2, Cf2O, Cf7O12. Синтезовані фторид, бромід, хлорид, йодід, карбід каліфорнію — у більшості з цих сполук каліфорній має ступінь окиснення +3.
Поліборат каліфорнію цікавий своєю люмінесценцією — він випромінює зелене світлоGoing Back to Californium: A Changing View of Covalency . Загалом, багато сполук каліфорнію мають зелений колір.
У станах окиснення +2 і +3 ефективний магнітний момент каліфорнію становить 9,14 магнетонів Бора.
Отримання
На практиці, каліфорній утворюється при тривалому (кілька років) опроміненні плутонію-239 нейтронами в спеціальних ядерних реакторах по ланцюжку плутоній-америцій-кюрій-берклій-каліфорній (на цьому шляху плутоній захоплює 13 нейтронів і зазнає 4 бета-розпадів). Для цього мішень зі сплаву алюмінію і плутонію опромінюють в реакторах з великою щільністю потоку нейтронів, після чого мішень розчиняють у розплаві NaOH і екстрагують з неї плутоній та інші актиноїди за допомогою органічних розчинників, після чого відділяють каліфорній від інших трансуранових елементів , промиваючи колонку хлоридом літію і соляною кислотою.
Вихід каліфорнію при реакції дуже малий — з 10 кілограмів плутонію утворюється лише три грами каліфорнію. Отриманий таким чином каліфорній має наступний ізотопний склад: 4,3 % 249Cf, 49 % 250Cf, 11 % 251Cf, 36 % 252Cf.
Наразі каліфорній виробляється у двох місцях: національна лабораторія Оук-Ридж у Теннессі (90 % світового виробництва) і реактори у Димитровграді (Росія)Californium .
Згідно даних лабораторії Оук-Рідж, до 1995 року було вироблено 8.5 грам каліфорнію-252, щорічне виробництво становить близько 500 мгCalifornium-252: a remarkable versatile radioisotope.
Використання
Каліфорній є найважчим елементом з тих, що мають комерційне використання. До 1995 року близько 500 міліграм каліфорнію було продано. У 2000 році ціна на каліфорній становила 66 доларів за мікрограмProposed revision of 10CFR Part 71, DOCKET NUMBER Compatibility with ST-I (для порівняння, ціна золота в 2000 році становила 300 доларів за грам, тобто в 220 тисяч разів менше).
Каліфорній-252 є потужним і компактним джерелом нейтронів, і використовується в цій якості в багатьох галузях: Ініціюючі джерела нейтронів для ядерних реакторівWhat is Californium Used For in Everyday Life? . Лікування раку — каліфорній використовується для брахітерапії (вид терапії раку, при якому джерело випромінювання розміщується всередині тіла)Californium-252 neutron brachytherapy combined with external beam radiotherapy for esophageal cancer: long-term treatment results . Нейтронно-активаційний аналіз — методика, за допомогою якої можна визначити склад речовини. Нейтронна радіографія — метод неруйнівного контролю за допомогою пучка нейтронів. З допомогою нейтронної радіографії можна встановити неоднорідності розподілу домішок або внутрішні дефекти у зразку. Використовується, наприклад, при перевірці на дефекти літаків, космічних апаратів, зброї About Californium .
У наукових цілях каліфорній використовується для пошуку нових елементів — бомбардуючи каліфорній ядрами легких елементів можна отримати більш важкі ядра. Таким чином був відкритий, наприклад, оганесон, елемент номер 118.
Через малу критичну масу каліфорнію-252 (2,91 кг) і каліфорнію-251 (2,45 кг)INSTITUT DE RADIOPROTECTION ET DE SÛRETÉ NUCLÉAIRE DÉPARTEMENT DE PRÉVENTION ET D'ÉTUDE DES ACCIDENTS існують проекти використання його для створення ультракомпактних ядерних боєприпасівCalifornium Atomic Bullet , проте наразі загальна кількість накопиченого людством каліфорнію в тисячі разів менше, ніж необхідно для створення хоча б однієї каліфорнієвої бомби.
Також, у деяких джерелах критична маса каліфорнію невірно наведена як кілька грам, через що робляться припущення про можливість створення "ядерних набоїв"Nuclear Bullets: the Most Dangerous Soviet Project . Можливо, вперше ця помилка з'явилася у журналі "Popular Science" у 1961 роціPopular Science .
Каліфорній розглядається як перспективне джерело живлення для космічних зондів та супутників. Його висока питома потужність і енергетична ємність робить його придатним кандидатом на роль джерела енергії під час тривалих космічних місій . Це особливо актуально для довготривалих місій, наприклад, при дослідженні далекого космосу. Досягнуто значного прогресу у розробці сплавів з каліфорнієм для космічних енергетичних систем. Такі системи є критично важливими для космічних апаратів, що подорожують на великі відстані до різних планет, де традиційні джерела енергії можуть бути неефективними.
Ізотопи Масове число Спін Період напіврозпаду Реакція отримання Основні канали розпадуIsotopes of Californium Продукти розпаду2375/22,1с206Pb(34S,3n)Бомбардування ядер свинцю ядрами сульфуру, з подальшим випромінюванням трьох миттєвих нейтронівПоділ(10%)Різноманітніβ+Берклій-237αКюрій-233238021,1мс207Pb(34S,3n)ПоділРізноманітні2395/239сα-розпад 243Fmβ+Берклій-239αКюрій240057,6с233U(12C,5n)α(98%)Кюрій-236Поділ(2%)Різноманітні2417/23,8 хв233U(12C,4n)β+(75%)Берклій-241α(25%)Кюрій24203,7 хв233U(12C,3n)β+(20%)Берклій-242α(80%)Кюрій2431/210,7 хв235U(12C,4n)β+(86%)Берклій-243α(14%)Кюрій244019,4 хв244Cm(α,4n) 236U(12C,4n)αКюрій-2402455/245 хв244Cm(α,3n), 238U(12C,5n)β+(64%)Берклій-245α(36%)Кюрій246035.7 год244Cm(α,2n), 246Cm(α,4n)αКюрій-2422477/23,1 год244Cm(α,n), 246Cm(α,3n)εБерклій-2472480333,5 діб246Cm(α,2n)αКюрій-2442499/2351 рікβ--розпад 249BkαКюрій-245250013,08 років249Bk + nзахоплення нейтронаαКюрій-2462511/2898 років250Cf + nαКюрій-24725202,645 років251Cf + nα(96.908%)Кюрій-248Поділ(3.092%)Різноманітні2537/217,81 діб252Cf + nβ-Ейнштейній-253254060,53 діб253Cf + nПоділРізноманітні2557/285 хв254Cf(n, gamma)β-Ейнштейній-255256012,3 хв254Cf(t, p)Бомбардування ядер каліфорнію-254 ядрами тритію, з подальшим випромінюванням протонаПоділРізноманітні
Примітки
Література Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк : Вебер, 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0